周 榮 吳艷鳴 田 立 沈 建 黃智勇 楊 逸 郁 昱

（江蘇省水文水資源勘測局南通分局,江蘇 南通 226000）

1 概述

隨著全球氣候變暖以及城市建設(shè)進程的不斷加快,城市下墊面條件發(fā)生改變,地面硬化比例不斷增大,地面匯流的不透水面積比例減小,南通市原有排水設(shè)施承載力已不能滿足城市排水要求。南通市上一輪暴雨強度公式修編于2013 年,取用1990～2011 年的實測資料,根據(jù)《城市暴雨強度公式編制導(dǎo)則》,一般建議5～10 年對暴雨強度公式進行誤差復(fù)核和修編,且南通市近年來降雨強度增大,2016 年、2018 年發(fā)生特大暴雨,120min 短歷時內(nèi),最大時段平均降水強度分別達到了134.5 mm/min 和141.0mm/min,因此亟需采用最新實測數(shù)據(jù)研究確定更長歷時下南通市最新暴雨強度公式。本次研究取用南通閘站以及營船港閘站1990～2020 年共31 年的場次暴雨資料,對歷史分鐘自記降雨資料進行信息化處理,并針對當(dāng)?shù)亟涤甑臅r程分布特征、時程變化規(guī)律和城市降雨時程分布的類型等與城市排水防澇的關(guān)系開展工作,確定南通市區(qū)最新暴雨強度公式。此外,設(shè)計暴雨在建設(shè)城市防洪排澇工程中有著重要作用,直接關(guān)系著城市排水管網(wǎng)的設(shè)計。

因此,為南通市區(qū)有效改造原有城市排水管網(wǎng)以及規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù),合理確定排水管網(wǎng)除澇工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模,改善城市排水,防治內(nèi)澇,本文在已確定的南通市暴雨強度公式基礎(chǔ)上,采用年最大值法對暴雨資料進行選樣,對降雨強度、歷時、雨峰位置系數(shù)進行研究,分析每場暴雨的強度過程,采用芝加哥法分別推求南通市區(qū)重現(xiàn)期2～100a 下,降雨歷時120min、180min內(nèi)的設(shè)計暴雨雨型。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與選樣方法

2013 年南通市暴雨強度公式采用南通閘以及營船港閘雨量站的基礎(chǔ)資料作為率定基礎(chǔ)。

南通市南通閘雨量站設(shè)于1925 年,為國家級水文資料基本站網(wǎng),位于南通主城區(qū)西北,站址區(qū)域地形、地貌及周邊建筑等歷年變化較小,能夠代表主城區(qū)面雨量情況；營船港閘雨量站設(shè)于1961 年,為省級水文基本站網(wǎng),位于南通市新城區(qū)及開發(fā)區(qū)之間,觀測場地及周邊地貌穩(wěn)定,其雨量資料系列較長,能夠代表該區(qū)域歷年的降雨情況。故本文在研究確定最新2020 年暴雨強度公式時沿用上述兩個站點作為南通市區(qū)雨量代表站。

樣本的選取采用《室外排水設(shè)計規(guī)范》推薦使用的年最大值法,采用1min 滑動法分別挑選出營船港閘、南通閘雨量站1990～2020 年5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 共11 種歷時的逐年最大雨量。

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》的要求,在進行雨型研究時所取用的降雨歷時為30～180min,由于實際的降雨過程具有一定的隨機性,本文選取營船港閘站1990～2010年共31 年自記雨量資料,每年選取3～6 場,總歷時在120min 內(nèi)的降雨過程共計153 場,總歷時在180min 內(nèi)的降雨過程共計160 場作為雨型研究的降雨樣本。

2.2 研究方法

分別采用皮爾遜-Ⅲ型、耿貝爾型擬合暴雨樣本頻率曲線,選擇其中擬合結(jié)果較優(yōu)的線型作為本次暴雨強度公式參數(shù)率定的基礎(chǔ)。從理論頻率曲線上查取重現(xiàn)期為2、3、5、10、20、30、50、100 年的理論降雨強度,得出i-t-P 關(guān)系。編制暴雨強度公式采用改進的高斯- 牛頓法,重點保證重現(xiàn)期為2～20 年時的擬合精度。

根據(jù)南通市管道排水和防澇設(shè)計的需要,本次研究采用芝加哥法推求總歷時120min、180min 兩種歷時的設(shè)計雨型。

3 暴雨強度公式率定與適用性檢驗

3.1 暴雨強度公式率定與精度檢驗

分別采用P-Ⅲ型、Gumbel 型兩種分布線型,對營船港閘、南通閘雨量站1990～2020 年5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180min 共11 種歷時的暴雨強度系列進行頻率分析。結(jié)果表明Gumbel 型各歷時暴雨強度頻率適線效果整體上不如P-III 型,因此在對暴雨強度公式進行參數(shù)率定時采用基于P-III 型分布的各歷時暴雨計算成果作為率定基礎(chǔ)。

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》中推薦的設(shè)計暴雨強度公式：

式中,q——設(shè)計暴雨強度［L/(s·hm2)］；t——降雨歷時（min）；TM——設(shè)計重現(xiàn)期（年）；A1、C、b、n——待定參數(shù)。

當(dāng)取式（1）中q 的單位為mm/min 時,暴雨強度公式變?yōu)椋?/p>

根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》,采用絕對均方根誤差來衡量暴雨強度公式的擬合精度,當(dāng)暴雨重現(xiàn)期在2 年～20 年時,要求一般降雨強度的地方,絕對均方根誤差不大于0.05mm/min。結(jié)果表明,對于t≤180min 共11 種歷時,2 年～20 年共5種重現(xiàn)期的暴雨強度,營船港閘站短歷時公式擬合的絕對均方根誤差為0.042mm/min,南通閘站短歷時公式擬合的絕對均方根誤差為0.050mm/min,均滿足《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》的要求,但總體而言,營船港閘站180min、總歷時內(nèi)暴雨強度公式的擬合精度大于南通閘站。

由圖1 可見,營船港閘站公式率定結(jié)果總體比南通閘站偏大2.7%,綜合考慮擬合精度以及實際使用的方便和安全程度,確定營船港閘站暴雨公式為此次南通市暴雨公式率定的綜合公式。

3.2 暴雨公式適用性分析

式中,i——設(shè)計暴雨強度（mm/min）；其他符號含義同前。

采用“高斯—牛頓法”求解式（2）中的待解參數(shù),考慮到目前南通市排水管道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以低于20 年居多,按照規(guī)范要求,在率定重現(xiàn)期為2～100 年范圍的暴雨強度公式時,應(yīng)重點關(guān)注重現(xiàn)期2～20 年點據(jù)的擬合精度。營船港閘站、南通閘站率定得到的暴雨強度公式分別如式（3）、式（4）所示：

3.2.1 本次公式與2011 年公式暴雨強度成果比較。將營船港閘站本次短歷時暴雨強度公式（3）計算的歷時5、10、15、20、30、45、60、90、120、180min,重現(xiàn)期2、3、5、10、20 年的設(shè)計暴雨強度與2013 年《南通市暴雨強度公式修訂報告》中的暴雨強度公式的相應(yīng)成果進行比較,結(jié)果表明新編暴雨強度公式與2013 年暴雨強度公式相比,計算雨強總體偏大19.5%,其中5～120 分鐘雨強偏大17.6%,5-180 分鐘雨強偏大從8.6%依次遞增到29.2%,150～180 分鐘雨強偏大接近30%。根據(jù)采用的實測降雨資料樣本,各歷時下1990～2020 年的多年平均最大降雨量較1990～2011 年均呈增大趨勢,降雨歷時為120min 時,前者的多年平均降雨量比后者偏大18.13%,降雨歷時為150min 時,前者的多年平均降雨量比后者偏大17.51%,這表明新暴雨強度公式與2013 年暴雨強度公式的計算結(jié)果總體偏差比與降雨樣本偏差相吻合,符合近年來降雨強度的變化趨勢,是合理的。（表1、2）

表1 總歷時內(nèi)新公式與2013 年南通市公式暴雨強度成果偏差 單位：%

表2 新公式與2013 年南通市公式采用的降雨樣本多年平均最大降雨量對比

3.2.2 與鄰近城市暴雨強度公式比較。本文收集了南通市相鄰近的當(dāng)?shù)卣技肮_出版的鹽城、如皋、張家港的暴雨強度公式參數(shù)詳見表3。

表3 鄰近城市暴雨強度公式參數(shù)匯總

計算結(jié)果顯示,南通市最新暴雨公式與周邊臨近城市鹽城、如皋、張家港暴雨公式計算值的偏差分別為-3.7%,+1.8%,+6.0%,符合地區(qū)間降雨分布的合理性以及地域分布上的連續(xù)性。

需要說明的是,在與上述鄰近城市暴雨強度公式的比較中,各城市暴雨公式修編的年份不同,因此暴雨強度的偏差意義不同。以鹽城市為例,鹽城市暴雨公式修編于2012 年,比南通市2013 年公式總體偏大24.1%,盡管南通市最近10 年的降雨量提升了整體樣本均值,但總體計算結(jié)果仍比鹽城市2012 年版公式偏小3.7%,這跟江蘇省暴雨圖集的統(tǒng)計成果是一致的。

4 設(shè)計暴雨雨型結(jié)果與分析

根據(jù)南通市管道排水和防澇設(shè)計的需要,本次研究采用K&C 法推求總歷時120min、180min 兩種歷時的設(shè)計雨型。

選取營船港閘站1990～2010 年共31 年自記雨量資料,每年選取3～6 場,總歷時在120min 內(nèi)的降雨過程共計153 場,總歷時在180min 內(nèi)的降雨過程共計160 場。將分鐘摘錄數(shù)據(jù)以5min 為單位進行分段,統(tǒng)計5min 內(nèi)累計雨量,最大累計雨量所在段數(shù)與本場降雨劃分總段數(shù)的比值即為雨峰系數(shù)。經(jīng)計算,歷時在120min內(nèi)153 場降雨過程的雨峰系數(shù)均值為0.430,即r=0.430；歷時在180min 內(nèi)的160 場降雨過程的雨峰系數(shù)均值為0.418,即r=0.418。再對兩種歷時的平均雨峰系數(shù)按歷時長度進行加權(quán)平均,最終得出綜合雨峰位置系數(shù)r=0.423。

將南通市暴雨公式及雨峰位置系數(shù)代入芝加哥法雨型瞬時降雨強度公式,計算芝加哥合成暴雨過程線各時段（5min）的累積降雨量及各時段的降雨量,進而得到每個時段內(nèi)的平均降雨強度,最終確定出重現(xiàn)期2～100a 下,降雨歷時分別在120min、180min 內(nèi)的設(shè)計暴雨雨型過程。圖2、圖3 分別為重現(xiàn)期為2a 時降雨歷時120min、180min 內(nèi)的設(shè)計雨型過程。

圖2 降雨歷時120min 內(nèi)、P=2a 設(shè)計暴雨雨型圖

圖3 降雨歷時180min 內(nèi)、P=2a 設(shè)計暴雨雨型圖

不同重現(xiàn)期的最大5min、10min、…、180min 的平均暴雨強度可按降雨雨型公式和暴雨強度公式兩種計算方法分別確定。表4 對根據(jù)上述兩種方法分別計算得到的平均暴雨強度進行了比較,可見,兩種計算公式得到的雨強計算結(jié)果基本一致,誤差均在0.78%以內(nèi),有的雖有微小差別,但為數(shù)字計算舍入誤差所致。

表4 按照降雨雨型和暴雨強度公式得出的降雨強度比較 單位：mm/min

5 結(jié)論

5.1 2013 年南通市編制了暴雨強度公式,采用1990～2011 年共計22 年的年最大暴雨樣本編制,降雨歷時5～120min,重現(xiàn)期2～20 年。本次對暴雨強度公式進行重新修編,在暴雨強度公式編制和雨型確定時,依據(jù)新規(guī)范,對降雨歷時進行了補充,增加了150min、180min。綜合考慮擬合精度以及實際使用的方便和安全程度,確定營船港閘站暴雨公式（式（3））為此次南通市暴雨公式修編的綜合公式。新編南通市暴雨強度公式計算值與降雨樣本吻合較好,且與周邊臨近城市鹽城、如皋、張家港暴雨公式計算值的偏差符合地區(qū)間降雨分布的合理性以及地域分布上的連續(xù)性,說明暴雨強度公式貼近南通市降雨量實際情況。

5.2 采用芝加哥雨型法確定南通市設(shè)計暴雨雨型,將各歷時、各重現(xiàn)期的芝加哥雨型過程的降雨強度平均,得到設(shè)計降雨歷時、設(shè)計重現(xiàn)期降雨的平均降雨強度,該值與采用暴雨強度公式計算的設(shè)計暴雨強度相同,說明推算出的南通市設(shè)計暴雨雨型合理,能客觀表達南通市暴雨特征。